22
NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering || | | 1 Lecture 40 Ultra high strength steel Lecture 40 Ultra high strength steel

Lecture 40

Embed Size (px)

DESCRIPTION

good

Citation preview

Page 1: Lecture 40

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  || |  |   

Lecture 40

Ultra high strength steel

Lecture 40

Ultra high strength steel

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 2: Lecture 40

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  || |  |   

Introduction  Steel has unique transformation characteristics that allow us to get a wide range of properties 

with very little alloy addition. In the last two classes we have seen how these concepts can be 

exploited  to  improve  the  strength  of  steel  significantly with  very  little  loss  of  ductility.  The 

major emphasis has been on controlled thermo‐mechanical processing and controlled cooling 

so as  to get extremely  fine grains  in  the  final product. Apart  from  controlled  rolling we also 

looked at three different processing techniques that could give unusual strength and ductility.  

These are as follows: 

Inter‐critical heat treatment giving dual phase (DP) steel consisting of ferrite‐martensite 

structure having an excellent combination of strength and formability  

Patenting  that uses  isothermal  transformation at  the nose of  the TTT diagram  so  that 

the  structure can be easily cold drawn  into wires having  tensile  strength approaching 

the theoretical strength of ideal solids 

Deformation processing (commonly known as ausforming) of rapidly cooled austenite in 

the  bainitic  bay  followed  by  quenching  to  get  fully  martensitic  structure  having 

extremely high strength and reasonable ductility 

Although  the  processing  routes we  looked  at  so  far  can  give  attractive  combination  of  high 

strength and ductility  in steel there  is a major  limitation on the section size of the product  in 

which this can actually be achieved.  In this  lecture we would  look at how the problem can be 

overcome by alloy addition. 

Reasons for alloy addition: 

Apart  from carbon all other alloy elements  found  in  steel are more expensive  than  iron. The 

obvious question  that  comes up  is  “why do we go  for expensive alloy addition when  such a 

wide range of strength & toughness can be achieved in carbon / micro alloyed steel?”  One of 

these we are already familiar with. This is the section size limitation. The optimum combination 

of strength and toughness can be obtained by controlled processing only if the product is thin. 

The strength and toughness are not the only considerations for the selection of steel. There are 

several other factors as well. The reason for alloy addition can be summarized as follows: 

• To overcome the section size limitation by increasing  harden‐ability  • To improve strength to weight ratio • To improve machinability  • To improve formability • To improve Corrosion / oxidation resistance • To improve magnetic properties (soft / hard) • To improve Creep resistance 

Page 3: Lecture 40

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  || |  |   

• To improve tempering resistance & overcome embrittlement • To improve weldability (By and large most alloy steels are more difficult to weld) 

We know  that plain  carbon  steel  is not necessarily a binary Fe‐C alloy.  It would always have some  amount  of Mn &  Si.  These  are  added  primarily  to  remove  oxygen  from molten  iron. Besides these it would invariably some impurities like S, P, O, N, H etc. The list of intentionally added alloy elements includes Mn (beyond 1%), Si (beyond 0.3%), Cr, Ni, Mo, W, V, Ti, Nb, B, Al etc. There are certain grades of steel where S & P are also added intentionally to meet certain other specifications.  Role of major alloy elements in steel: 

 

Ferrite, maternsite, austenite and carbide are  the  four phases  that might be present  in steel. 

Some of these may exist as separate constituents consisting of intimate mixtures of two phases 

like  pearlite  or  bainite.    It may  be worthwhile  to  know  about  the  role of  individual  alloying 

elements present in steel.  

 

Carbon  (C): Present mostly  as  carbide.  Its  solubility  in  austenite  is more  than  that  in 

ferrite.  It  increases the strength and harden‐ability of steel but decreases the ductility, 

formability and weld‐ability of steel. 

Manganese (Mn):  It has good solubility  in all the three phases present  in steel (ferrite, 

carbide and austenite). It is an austenite stabilizer. It decreases A1 & A3 temperatures. If 

present in excess (beyond 12%) the structure may be totally austenitic (non‐magnetic). 

Hadfield Mn  steel  has  1%C  and  12%Mn.  It  exhibits  extremely  high  work  hardening 

behavior.  It  is  used  as  components where  you  need  the material  to  become  harder 

during  service.  Examples:  helmets,  railway  crossings,  shovels,  jaw  crushers  etc.  It  is 

present  in most  steels  as  de‐oxidizer  and  as  an  element  to  fix  S  as MnS  so  as  to 

overcome  the  hot  shortness  due  to  S.  It  increases  the  strength,  toughness,  shock 

resistance (by decreasing DBTT), harden‐ability and hot formability of steel. It may have 

an adverse effect on weldability. 

Silicon (Si): It is usually added as a deoxidizer because of its high affinity for oxygen. It is 

a  ferrite  stabilizer.  It  raises  the critical  temperatures of  steel.  Its  solubility  in  ferrite  is 

more than in austenite. Steel having higher silicon (>6%) cannot be heat treated. It gives 

solid  solution  strengthening.  It decreases weldability and magnetic hysteresis  loss but 

improves the strength, hardenability and oxidation resistance of steel. High silicon steel 

(4%Si)  is used as  transformer core because of  its high magnetic permeability and  low 

eddy current loss (because of high electrical resistivity).  

Aluminum (Al): It is primarily added as a deoxidizer because of its extremely high affinity 

for oxygen.  It  is mostly present as oxide  inclusions  (Al2O3).  It also has good affinity for 

Page 4: Lecture 40

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  || |  |   

nitrogen.  It  forms  aluminum nitride  (AlN), because of  this  it  is  intentionally  added  to 

steel that are given nitriding treatment. Al killed steel are known as inherently fine grain 

steel. This  is because of  the presence of extremely  fine oxides of Al at prior austenite 

grain boundaries. Therefore Al killed steel has low DBTT (higher impact toughness) and 

low hardenability. 

Phosphorous  (P): P has a  fairly good  solubility  in  ferrite.  It  increases  the  strength and 

oxidation  resistance  of  steel  but  decreases  its  impact  toughness,  formability  and 

weldability. Therefore  in most commercial steel  it  is kept within 0.035%.  It  is a  ferrite 

stabilizer like Si it is a gamma loop forming element. Its solubility in ferrite is more than 

that  in  austenite.  Steel  having  excess  P  (beyond  0.6%)  may  not  respond  to  heat 

treatment. It has a tendency to form Fe3P. Steel having P may respond to precipitation 

hardening. Except for certain grades of electrical, weathering resistant or bake harden‐

able grades of steel it an undesirable alloy element in steel.  

Sulfur (S): The presence of excess S in steel makes it brittle because of the formation of 

low melting (~1000°C) Fe‐FeS eutectic around the grain boundaries of austenite. This is 

why such steels are difficult  to  form. Therefore Mn  is added  to  fix S and MnS so  that 

there  is  little  S  left  in molten  steel  to  form  Fe‐FeS  eutectic.  The  S  in  steel  is  always 

present as MnS inclusions. This gets elongated during hot rolling. The presence of such 

elongated inclusions makes steel anisotropic (it has higher elongation & strength along 

the  rolling but poor  through  thickness  strength & ductility). Therefore  like P, S  too  is 

controlled within 0.035%. The presence of MnS  inclusions helps the formation of chips 

during  machining.  Therefore  machine‐able  grades  of  steel  popularly  known  as  free 

cutting steel may have 0.3%S with adequate Mn to fix it as MnS.  

Oxygen  (O):  It has a  tendency  to  form  iron oxide at  the grain boundaries. This would 

make  the  steel  brittle.  Therefore  every  attempt  is made  to  control  the  amount  of 

oxygen  in molten  steel during  solidification by adding  S & Al as de‐oxidizer. Rimming 

steel has higher amount of dissolved oxygen  therefore  it has higher DBTT  than killed 

steel.  

Hydrogen (H): This being the smallest atom it can easily penetrate steel through its grain 

boundaries  during  various  stages  of  processing  or  during  service.  The  formation  of 

hydrogen  bubbles  by  the  reaction  H  +  H  =  H2  creates  additional  local  stress.  In 

combination with the external stresses  it may  lead to cracking or brittle failure. This  is 

known as hydrogen embrittlement. High  strength  steels are most  susceptible  to  such 

failures.  

Nitrogen (N): Like C it also forms interstitial solid solution with Fe. Its solubility in ferrite 

is a little more that of C in ferrite. The presence of soluble interstitial is responsible for 

the  yield  point  phenomenon  in  steel.  It makes  steel  susceptible  to  strain  ageing.  It 

increases its strength at the cost of its ductility. In the presence of other elements like Cr 

Page 5: Lecture 40

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  || |  |   

& Al  it may  form  strong nitrides  that  could  give higher  strength.  It  is often  added  in 

precipitation hardenable grades of stainless steels. 

Chromium (Cr): It increases the corrosion resistance, hardenability, room as well as high 

temperature strength of steel. It has good solubility in both austenite () and ferrite () but its solubility in ‘’ is more than that in . It is a ferrite stabilizer. If the amount of Cr 

present is beyond a limit the steel may not transform into austenite at all. Such steels do 

not respond to conventional hardening treatment. Cr promotes the tendency to form a 

protective oxide film on the steel. If %Cr > 12% the steel becomes stainless (it does not 

rust or corrode).  It has  strong affinity  for both C & N present  it  steel.  It  forms  strong 

carbides and nitrides that act as obstacle to dislocation motion and thereby improve the 

elevated temperature strength of steel. 

Nickel  (Ni):  It  is an austenite stabilizer.  Its solubility  in austenite  is higher  than  that  in 

ferrite.    If  the  amount  of Ni  in  steel  exceeds  a  specified  limit,  the  FCC  form  of  iron 

(austenite,  usually  stable  at  higher  temperature) may  become  stable  even  at  room 

temperature.  Such  steels  would  not  respond  to  the  conventional  hardening  heat 

treatment.  Austenitic  steel may  have  at  least  8% Ni. Ni  is  used  in  several  grades  of 

hardenable  steel.  It  increases  hardenability  and  strength  with  little  in  ductility.  It 

increases  toughness and decreases DBTT significantly. Several grades of steel used  for 

cryogenic application have significant amounts of Ni.  

Molybdenum  (Mo):  It  increases hardenability and high  temperature  strength of  steel. 

Almost all grades of steel for elevated temperature applications have Mo. It is a ferrite 

stabilizer but has a very strong affinity for C. It can form very stable carbides having very 

high melting  point.  This  is  responsible  for  the  red  hardness  of  tool  steel  having high 

amount of Mo. It is often present in high speed tool steel (HSS). Mo decreases the risk of 

temper embrittlement.  This is why 0.5% Mo is present in several hardenable grades of 

steel. Mo addition alters the shape of the CCT diagram. It consists of two C curves one 

for peartic transformation and the other for bainitic transformation.  

Tungsten  (W):  It  increases  hardenability,  wear  resistance,  and  high  temperature 

strength of steel.  It  is a ferrite stabilizer and strong carbide former.  It  is widely used  in 

high speed tool steel (HSS).  

Vanadium  (V):  It  is a strong carbide  / nitride  former.  It  is present  in small amounts  in 

several grades of micro‐alloyed steel. It is also an important alloying element present in 

HSS.   

Titanium  (Ti):    It  is  a  strong  carbide  /  nitride  former.  It  is  one  of  the  common  alloy 

additions  in micro‐alloyed steel. Austenitic stainless steel having small amounts of Ti  is 

not susceptible to weld decay or sensitization. It is also used in HSS steel. 

Page 6: Lecture 40

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  || |  |  

Niobium (Nb): Like Ti it is a strong carbide / nitride former. It is one of the common alloy

additions in micro‐alloyed steel. Austenitic stainless steel having small amounts of Nb is

not susceptible to weld decay or sensitization.

Copper  (Cu):  The  presence  of  small  amounts  of  Cu  (0.2  –  0.3%)  in  steel  gives  good

resistance to atmospheric corrosion. It has very little solubility in steel. The presence of

Cu may  cause  hot  shortness  because  of  its  low melting  point. %Cu  is  rarely  exceeds

0.35%.  This  problem  may  be  overcome  in  presence  of  Ni.  Cu  can  contribute  to

precipitation hardening. There are several weld‐able grades of Cu containing HSLA steel.

Lead  (Pb):  It  is  insoluble  in steel.  It  is added  to certain grades machine‐able steel. The

presence of fine globules of Pb favors chip formation during machining.

Boron (B): It increases harden‐ability of steel significantly even though the amount B is

in ppm range. Like Mo, B too splits CCT diagram of steel into two separate pearlitic and

bainitic ‘C’ curves. It a good absorber of neutrons. It is present in several grades of steel

used in nuclear reactors. If present in excess it may form iron borides.

Ultra high strength steel (UHSS) for aerospace applications: 

Most  of  the  commercial  UHSS  are  used  in  quenched  and  tempered  conditions.  The microstructure of such steel consists of tempered martensite. Therefore hadenability is a major consideration for the design and selection of appropriate steel. The performance of UHSS steel in actual service depends a lot on the shape and size of precipitates and inclusions in particular. The most harmful are the  inclusions that deform easily during thermo‐mechanical processing. Sulfides and silicates come under this category. These are often present as elongated stringers in  hot  rolled  steel.  This may  adversely  affect  the  short  transverse  strength,  toughness  and ductility of  the  component.  This  is why  to  exploit  the  full potential of UHSS  steel  there has considerable  efforts  to  produce  clean  steel  having  very  little  inclusions.  Often  adoption  of techniques  like vacuum arc re‐melting, electro‐slag refining and  ladle treatment to control the shape and size of  inclusions may be necessary. This apart from the additional heat treatment that  is  necessary  adds  up  to  the  cost  of  such  steel.  Therefore  these  are  used  only  for applications  that  demand  high  strength  to weight  ratio  and  durable  products  such  as  aero‐space  component  (landing  gears),  rocket motor  casing or heavy duty bearings. A  few of  the most common UHSS and their compositions are given below:  

• En24 / AISI 4340: 0.4C 1.8Cr 0.8Ni 0.25Mo: OQ+T• AISI 4335V: 0.35C 1.8Cr 0.8Ni 0.25Mo 0.2V: OQ+T• H11: 0.35C 5.0Cr 1.5Mo 0.4V: AC + T• Maraging steel: 0.02C 18Ni 3‐9Co/Mo 0.6Ti 0.1Al: AC+ CW + Aged

The  first  three  come under  the  category of hardened and  tempered  steel. All of  these have 

significant  amounts of  alloy  element  apart  from  0.35  – 0.40C. AISI  4340 or 4335V needs oil 

quenching whereas H11 having still higher alloy addition hardens even on air cooling. Under oil 

Page 7: Lecture 40

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  || |  |   

quenched  (OQ)  or  air  cooled  (AC)  condition  the  structure  of  such  steel  may  consist  of 

martensite and retained austenite. This is the stage when the hardness or the strength of such 

steel is possibly the highest. Tempering restores the toughness of the steel although its strength 

may drop a little. It also gives structural and dimensional stability through the transformation of 

retained austenite to a more stable structure. Both AISI 4340 and 4335V can give YS as high as 

1800MPa with  5%  elongation  under  hardened  and  tempered  condition.  Fig  1  gives  an  idea 

about the CCT diagram of AISI 4340 steel.  It has a bainite bay. The existence of such a region 

where super cooled austenite is fairly stable makes this steel amenable to ausforming. 

 

 Fig 2 gives the CCT diagram of H11 steel. This has very high amount of Cr. Its carbon equivalent 

is higher than 0.8%. Therefore its transformation characteristic is expected to be similar to that 

of hypereutectoid steel.  In ausformed condition H11 has significantly YS higher strength  than 

that of AISI 4340 steel. UHSS steels are mostly used under hardened and tempered condition.  

 

Fig  1:  A  schematic  CCT  diagram  of  AISI  4340 

steel.  The  values  of  time &  temperature  are 

given  only  to  have  rough  idea  about  the 

cooling  rates.  The  carbon  equivalent  (CE)  is 

lower  than  that  of  H11.  It  behaves  as  hypo‐

eutectoid  steel.  It  does  not  need  very  high 

austenitizing  temperature.  It usually needs oil 

quenching.  The  ’C’  curves  for  B  &  P  are 

different because of Mo. Note  that  there  is a 

bay where super cooled austenite (A) can exist 

over  a  very  long  duration.  The  steel  is 

amenable  to  ausforming.  If  cooling  rate  is 

higher than 8.3C/s you get 100%M. This gives 

the  highest  hardness.  Extremely  slow  cooling 

gives  ferrite  pearlite  structure.  Tempered 

martensite  gives  the  best  combination  of 

strength and toughness.

750° 

700° 

800° 

300° 

1  100 1000 

T° C 

Time, sec 

A + F

A+P+F

A + B 

M +A 

Ferrite precipitation 

8.3°C/S 

0.3°C/S 

0.006°C/S 

0.02°C/S 

M   F + P M + B  

M+F+B+P 

M+B+F 

Page 8: Lecture 40

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  || |  |   

 Maraging steel: The amount of carbon in this steel is negligible. The martensite that you get in 

this  steel  on  quenching  is  not  hard.  It  BCC  structure.It  can  be  cold  worked.  On  ageing  its 

strength  increases  significantly.  This  is  due  the  precipitation  of  extremely  fine  coherent 

precipitates such as Ni3(TiAl) and Ni3Mo. Slide 1 gives a plot that describes the effect of ageing 

temperature and cold work on the kinetics of precipitation. The peak hardness  is achieved at 

around 500°C.  It has very high  strength and high  fracture  toughness as well.  It  can be easily 

welded. 

 

890° 

825° 

1000° 

300° 

1  100  10000

T° C 

Time, sec 

A + C 

A + C

A+P+C

A+B+C

A+M+C 

Carbide precipitation Fig 2: A schematic CCT diagram of H11 steel. The 

values of time & temperature are given only to 

have  rough  idea  about  the  cooling  rates. 

Although  %C  in  this  steel  is  around  0.35  its 

carbon  equivalent  (CE)  is  much  higher.  It 

behaves  as  hyper‐eutectoid  steel.  A  very  high 

temperature  is  required  to dissolve all carbides 

in austenite.  It  is an air hardening type of steel. 

If  section  size  is  large  oil  quenching  may  be 

needed. Note  that  there  is  a  bay where  super 

cooled  austenite  (A)  can  exist over  a  very  long 

duration.  The  steel  is  amenable  to  ausforming. 

Martensitic  in a deformed austenite  is  likely  to 

have  finer  lath  size.  The  presence  of  carbides 

restricts  the  grain  size  of  austenite.  Therefore 

tempered  H11  steel  has  the  optimum 

combination of strength and toughness. 

Page 9: Lecture 40

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  || |  |   

Maraging steel

Low C makes martensite soft (BCC). Can be cold worked. On aging Ni3(TiAl), Ni3Mo precipitates form.

T

HV

500

AC+aged

CW+AC+aged

Stain induced pptn gives higher strength. Expensive: rocket casing

Low C : excellent

weldability

YS ~ 1800 MPa KIC ~ 120 MPa√m

  

Stainless steelAlloy: Cr (corrosion resistance), Ni (corrosion austenite stabilizer), Mo (Pitting resistance)

Austenite stabilizer: Ni, Co, Mn, Cu, C,N

Ferrite stabilizer: Cr, Al, V, Si, Nb, Mo, Ti, W

%Cr

T

12.7Cr >12.7 : no

Binary alloy Ferritic steel: (Cr-17C) > 12.7

Martensitic: (Cr-17C) < 12.7

F: AISI 430: 16Cr 0.12C

M: AISI 410: 12Cr 0.15C

M: cutlery, turbine blade

L

  

Stainless  steel:  All  grades  of  stainless  steel must  have  at  least  12%Cr.  If  the  amount  of  Cr 

exceeds this threshold a continuous impervious (coherent) film of Cr2O3 forms on the steel. This 

prevents corrosive environment to come in contact with its surface. This is how it protects steel 

against corrosion. Apart from Cr, Ni and Mo too help improve its resistance to corrosion. Slide 2 

gives a list of various alloying elements that might be present in stainless steel. On the basis of 

their effect on the stability of gamma or alpha iron these are classified either as an austenite or 

Slide 1 

Slide 2 

Page 10: Lecture 40

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  || |  |   

10 

a ferrite stabilizer. The former includes Ni, Co, Mn, Cu, C and N whereas the latter includes Cr, 

Al, V, Si, Nb, Mo, Ti, and W.  

 

Slide  2  also  includes  a  part of  the binary  Fe‐Cr phase diagram. Cr  is  a  gamma  loop  forming 

element.  If % Cr exceeds 12.7%  it remains as alpha (ferrite) until  it melts. Therefore  it cannot 

undergo  austenite  to  martensite  transformation.  The  condition  that  favors  martensitic 

transformation  in  iron  chromium  binary  alloy  is %Cr  <  12.7.    In  the  presence  of  additional 

alloying elements the phase diagram gets modified. Therefore the expression for the maximum 

Cr that could be there  in a harden‐able grade of stainless steel gets modified. For example  in 

the  presence  of  C  the modified  expression  is  (Cr‐17C)  <  12.7.  Note  that  C  is  an  austenite 

stabilizer. This means that  if C  is present  in the steel you could afford to have a  little more Cr 

and yet the steel would respond to hardening treatment.  

 

All grades of stainless steel have very high concentration of alloying elements. Depending on 

their concentration and whether these are austenite or ferrite stabilizer stainless steel can be 

classified into 3 major groups. These are as follows: 

 

Ferritic stainless steel: effective concentration of  ferrite stabilizer  is more  than 12.7%. Slide 1 gives the composition of one of the most commonly used ferritic stainless steel AISI  430.  It  has  16%Cr  and  0.12%C.  It  does  not  undergo  ferrite  to  austenite transformation  on  heating.  Therefore  it  cannot  be  hardened  by  heat  treatment.  Its strength can be increased only by solid solution strengthening and work hardening. 

Martensitic  stainless  steel:    effective  concentration  of  ferrite  stabilizer  less  than  a specified  limit.  Slide  1  gives  the  composition  of  AISI  410  steel  the  most  common martensitic grade of stainless steel. It is used for cutlery and turbine blades.  There are several other martensitic grades of stainless steels having higher Cr. But higher amount of Cr may make it unsuitable for conversion to maternsite. This needs to be balanced by additional amounts of austenite stabilizer like Ni. Example 16Cr5Ni or 13Cr4Ni.  

Austenitic stainless steel: effective concentration of austenite stabilizer  is more than a specific  limit.  This  is  the  most  popular  and  widely  used  stainless  steel.  The  most common grade of austenitic  steel has 18%Cr8%Ni. Like  ferritic  steel  it can be only be hardened by solid solution strengthening or work hardening. 

 

Page 11: Lecture 40

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  || |  |   

11 

Schaeffler diagram

(Cr)eq = Cr+2Si+1.5Mo+5V+5.5Al+1.75Nb+1.5Ti+0.75W

(Ni)eq = Ni+Co+0.5Mn+0.3Cu+30C+25N

%Cr

%N

i

0 40

30

A

FM+A+F

A A+F

M+FF+M

A: AusteniteM: MartensiteF: Ferrite

  

Schaeffler diagram  (see slide 2)  is a useful tool to have a rough  idea of the microstructure of 

stainless  steel  as  a  function of Cr  and Ni,  the  two major  alloying  elements present  in  these 

steels. Cr  is a  ferrite stabilizer. There are several other alloying elements  that stabilize  ferrite 

may  also  be  present  in  such  steels. On  the  basis  of  the  ability  of  such  alloying  elements  to 

stabilize ferrite in comparison to that of Cr an expression for Cr equivalent has been empirically 

evaluated. Such an expression is given in slide 2.  Similarly the combined effect of all austenite 

stabilizers can be represented in the form of Ni equivalent (Ni)eq. Slide 2 also gives as expression 

for the same. Slide 2 also gives a schematic representation of Schaeffler diagram for Cr‐Ni steel. 

This was originally developed to represent the effect of chemical composition on the structure 

of rapidly cooled weld metal. Nevertheless it gives an approximate idea on the various possible 

structures that can be obtained in Cr‐Ni steel. This suggests that apart from ferrite, martensite 

or austenite you can also have steel having more than one phase. You can have a stainless steel 

consisting  of  austenite  and  ferrite.  This  is  popularly  known  as  duplex  stainless  steel.  The 

toughness of duplex steel  is better than that of ferritic steel.  It also has a better resistance to 

stress corrosion cracking. However such a diagram is a function of the temperature from which 

the steel is rapidly cooled. Most often the temperature is around 1050°C. It also assumes that 

carbon remains in solution. The predictions may not match if carbon is present as carbides. 

 

Slide 2 

Page 12: Lecture 40

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  || |  |   

12 

Austenitic steel

AISI: 200 series Ni substituted grade: cheaper

AISI 300: Cr Ni steel: more expensive

AISI 304: 0.08C 18Cr 8Ni Popular, sensitization

AISI 316: 0.08C 18Cr 10Ni 2 Mo: Good acid / pitting resistance

AISI 321: 0.08C 18Cr 10Ni 0.4Ti: stabilized

AISI: 347 0.08C 18Cr 10Ni 0.8Nb: stabilized

Excellent strength & ductility. YS can increased to ~ 1000MPa by CW

  

Austenitic steel: Slide 3 gives the composition of a few common grades of austenitic stainless 

steel. AISI  300  series  is  the most  popular  and widely  used  stainless  steel.  It  is  nonmagnetic 

unlike  the other  two  (Ferritic or martensitic).  It does not get attracted by magnet. This  is  the 

easiest way to check whether a given piece of stainless steel is indeed austenitic.  AISI 304 is the 

post popular grade of austenitic steel. This is often referred to as 18/8 stainless steel. Increased 

Ni and addition of Mo gives higher corrosion and pitting resistance in acidic resistance medium 

(example: AISI  316).  There  is  a  direct  connection  between  the  resistance  to  pitting  and  the 

absence of chromium carbide precipitates in this steel. You normally expect the structure to be 

100% austenite (a single phase structure). Long thermal exposure in the range of 500°‐ 800°C or 

during slow cooling though this range of temperature carbides rich  in Cr may form. The most 

common carbide that forms in austenitic steel is Cr23C6. This has around 70%Cr. As a result the 

surrounding region gets depleted of Cr. We know that if %Cr in the matrix falls below 12% the 

protective film of Cr2O3 does not form. Therefore the regions surrounding these carbides act as 

anodes  in  a  corrosive  medium.  These  are  the  locations  where  pits  develop.  The  grain 

boundaries are the favored  locations for the formation of precipitates. If the numbers of such 

precipitates along the grain boundary are too many it may provide easy path for the growth of 

inter granular crack. The phenomenon is known as sensitization. The formation of such a zone 

is a very common problem encountered during welding of austenitic steel. The heat affected 

zones may have a network of very closely spaced Cr23C6 precipitates. The inter‐granular attack 

during  service  in  such  steel  is  commonly  known  as  weld  decay.  Slide  4  explains  the 

phenomenon with the help of a set of diagrams. The lower sketch shows how the concentration 

profile near a precipitate gets altered due the formation of Cr23C6. Each of the grain boundary 

Slide 3 

Page 13: Lecture 40

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  || |  |   

13 

precipitate is surrounded by a region having low Cr. This is illustrated with the help of a sketch 

in slide4. The presence of an  interconnected zone having  lower concentration of Cr along the 

grain boundary makes the steel susceptible to failure.  

 

Sensitization: weld decay

Cr + C = Cr23C6 : 70% Cr occurs at 800-500C

GB area get depleted of Cr & loose its stainless

characteristic.

How to overcome this?

•Quench from above 800C

•Reduce % C in steel

•Add strong carbide former

12%

%Cr profile

18%

70%

AA

A

Cr23C6

Cr depleted region

A A

Cr23C6

  

How do we avoid sensitization? There are three possible ways to overcome the problem. These 

are listed in slide 4.  

 

Avoid  prolong  thermal  exposure  to  the  temperature  regime  where  precipitation  of 

Cr23C6  may  take  place.  Even  slow  cooling  through  this  regime  should  be  avoided. 

Precipitation  is  a  nucleation  and  growth  process where  diffusion  plays  a major  role. 

Therefore  the only way  to  suppress  such precipitation  is  fast cooling or quenching.  In 

order  to  take  all  chromium  carbide  into  solution  you  need  to  heat  the  steel  beyond 

800°C.  The  preferred  temperature  is  around  900°‐950°C. Once  all  the  carbides  have 

dissolved you need to quench the steel to suppress the precipitation of carbides. Often 

you may need to anneal austenitic steel. Annealing temperature  is around 900C. After 

soaking at this temperature the steel must be quenched.  

The second option is to reduce %C in austenitic steel. Carbon is an austenite stabilizer. If 

you reduce %C you may have to  increase the amount of Ni or add any other austenite 

stabilizer so that the steel remains austenitic.  

The  third option  is  the addition of very  strong carbide  formers  in  the  steel. The most 

common alloy elements added to fix carbon in stainless steel are Ti and Nb. Slide 4 gives 

the approximate compositions of a Ti stabilized (AISI 316) and a Nb stabilized (AISI 347) 

Slide 4

Page 14: Lecture 40

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  || |  |  

14 

stainless  steel. Note  that  the amount of Ni  in  these grades  is higher  than  that of AISI 

304. This is because both Ti and Nb are ferrite stabilizers. In addition the concentration 

of carbon in austenite gets reduced as it gets fixed as Ti/Nb carbides. Ti and Nb carbides 

form  at  relatively  higher  temperatures  (1100°‐1200°C).  Their  affinity  for  carbon  is  so 

high that little carbon is left in austenite to react with Cr to form Cr23C6. Therefore steels 

having Ti/Nb are not susceptible to sensitization. 

Sigma phase embrittlement: Austenitic steels are often used as high temperature components 

because of its resistance to oxidation and creep resistance. Prolong high temperature exposure 

may  also  lead  to  the  formation  of  a  brittle  inter‐metallic  compound  known  as  sigma  phase 

having 50%Cr and 50%Fe  (CrFe).  It  is a hard, brittle, nonmagnetic  intermediate phase having 

tetragonal  crystal  structure. Usually  steels having not  sufficient austenite  stabilizer are more 

susceptible to sigma phase embrittlement. AISI 304 stainless is commonly used in fluid catalyst 

cracking units in petro chemical plants. It may be subjected to a temperature of 550° – 1000°C. 

Brittle sigma phase may form along its grain boundaries. This makes the steel brittle. Therefore 

old high temperature components must be handled with care. It should not be subjected to any 

impact load or excessive stress during start up, shut down or maintenance work.  

Mn  containing  stainless  steel:  The presence of high  amount of Ni makes  austenitic  stainless 

very expensive. Ni is primarily added to stabilize austenite at room temperature. Mn too is an 

austenite stabilizer. It can be used to replace Ni in austenitic steel. Apart from this Cu and N are 

the  two  other  austenite  stabilizer. Mn  containing  steel  has  very  high work  hardening  index 

because it decreases stacking fault energy significantly making cross slip (the main mechanism 

for strain softening) difficult. AISI 200 series (18‐18Cr, 7‐9Mn, 2‐5Ni, < 0.25N) represent several 

grades of Mn substituted austenitic steel. These are relatively cheaper than the 300 series.  The 

mechanical properties are similar but corrosion resistance is slightly inferior.  

Creep resistant steel: Steel  is a major material for the construction of power generating units where  it may have to 

withstand a  temperature up  to 600°C  for a period of 20  to 25 years. Any material when  it  is 

subjected  to  load  at  a  temperature  beyond  0.4Tm  (Tm  denotes melting  point  in  degree  C) 

undergoes  a  time dependent deformation  called  creep. As  a  result  its  load bearing  capacity 

would decrease with time. When it falls below a specified limit it must be replaced otherwise it 

would fail or rupture. Therefore a high temperature material has a finite life. The load bearing 

capacity of such a material is expressed in terms of its rupture strength for a specified period at 

a  given  temperature.  For  example  if  100,000hr  (approximately  11years)  rupture  strength  of 

steel at 600°C is known to be 40MPa means it can withstand this stress for 11 years. Clearly you 

need  very  long  hours  of  testing  to  evaluate  the  ability  of  steel  (or  any  other material)  to 

Page 15: Lecture 40

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  || |  |   

15 

withstand  high  temperature.  There  are  standard methods  of  accelerated  testing  procedures 

where  tests are done at a  little higher  temperature. For example  to get an estimate of  long 

term rupture strength at 600°C you may need tests at 650°C. We now do have 20‐25 hundred 

thousand hour  rupture  strength of a number of  steel  that are  suitable  for high  temperature 

service.  These are often referred to as creep resistant steel.  

 

The  obvious  questions  that  come  up  are: What  type  of  steel  is  likely  to  have  high  creep 

resistance? What would you look for while selecting steel for high temperature service? Would 

you only look for high rupture strength? A few of the important factors for the selection of such 

steel are as follows: 

• Creep resistance (Mo increases creep resistance of steel) 

• Oxidation resistance (Cr improves oxidation resistance) 

• Structural stability (Stable precipitate that does not coarsen improves creep strength)  

• Formability (Billets must be shaped into seamless tubes) 

• Weldability (Lower C equivalent means better weldability) 

 

Creep  resistant  steel must withstand oxidizing  environment.  For  example  the  surface  of  the 

tube that comes  in contact with super‐heated steam at high pressure  is  likely to get oxidized. 

This  results  in a  loss of  section  size or  its  load bearing  capacity. Cr  is  known  to  improve  the 

oxidation  resistance of  steel. This  is why  it  is present  in  almost  all  grades of  creep  resistant 

steel. 

 

Prolong  thermal exposure may  favor a number of phase  transformations  in  steel during use. 

This  includes graphitization, coarsening of carbides and formation of new precipitates. One of 

the earliest creep resistant steel is one having 0.5%Mo. The structure of such steel consists of 

ferrite  and  carbide.  Ferrite  is  no  doubt  stable  but  carbide  (Fe3C)  is  a meta‐stable  phase.  It 

decomposes into ferrite and graphite (Fe3C = 3Fe + C). Such transformations lead to a loss of its 

load bearing  capacity.  In order  to  avoid  this,  the  subsequent  improved  grades of  steel have 

higher amounts of carbide forming elements. One of the most popular grades of creep resistant 

steel has 2.25%Cr 1%Mo. The presence of Cr in carbide increases its stability. 

 

Creep resistant steel has higher high temperature strength. Its flow stress is likely to be higher.  

However ferritic steels are hot rolled when it is in austenitic state. Most of the carbides would 

go into solution. Therefore its flow stress may not be very high. Nevertheless forming of creep 

resistant steel is always more expensive.  

 

Welding  is  the most common  technique  to  join creep  resistant steel. Weldability depends on 

carbon equivalent. However creep resistant steel may have significant amounts of Cr, Mo and 

Page 16: Lecture 40

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  || |  |   

16 

other alloy elements. As a result  its carbon equivalent may be high even though %C might be 

around 0.15%. It may need special care to weld these. Preheating and post weld heat treatment 

may be required.  

 

Which type of steel has higher creep resistance? (Austenite or Ferrite): 

You  can have both  ferritic and austenitic  steel. Which of  these  is  likely  to have higher  creep 

resistance?  The  answer  lies  in  the magnitude  of  self  diffusion  coefficients  of  Fe  in  the  two. 

Ferrite  is BCC  it has  lower packing density whereas austenite  is FCC  is close packed structure. 

The  diffusivity  in  austenite  is much  lower  than  that  in  ferrite.  Equations  1‐2  give  the  self 

diffusion coefficients of Fe in  and  iron.   

5.0 10 /       : At 900°C    1.1 10 /         (1) 

2.8 10 /      : At 900°C    1.8 10 /         (2) 

 

Consider a  temperature of 900°C where both  &   iron  is stable. Note  that  the diffusivity  in austenite  is significantly  lower  than  that  in  ferrite. Therefore creep  rate of austenite  is  lower 

than that of ferrite. 

Besides  low  creep  rate  and  high  resistance  to  oxidation  often  there  are  a  few  other 

requirements to ensure  long  life of critical components at high temperatures.   Frequent start 

up and shutdown of high temperature units made need good low cycle fatigue resistance (stain 

controlled fatigue). A  lowelastic modulus gives better  low cycle  fatigue resistance.  In addition 

thermal  stress  that  develops  during  start  up  and  shut  down  depends  on  the  coefficient  of 

thermal  expansion  and  thermal  conductivity.  The  magnitude  of  thermal  stress  is  given 

by ∆ . Clearly a combination of low thermal conductivity (this ensures low T), low elastic modulus (E) and low coefficient of thermal expansion () means high thermal stress. 

Table 1 gives a comparison of the two steel with respect to each of these requirements. Apart 

from  better  phase  stability  and  higher  creep  resistance  on  all  other  counts  ferritic  steels 

appears to be more attractive for high temperature application at least up to 600°C. Therefore 

for  the  most  part  of  the  last  century  there  have  been  considerable  efforts  to  raise  the 

temperature capability of ferritic steel. 

Table 1: A comparison of the properties of ferritic and austenitic steel for high temperature application 

Criteria for selection  Ferritic steel  Austenitic steel  Preference 

Creep rate  High  Low  Lower creep rate gives longer life 

Elastic modulus  Low  High  Lower modulus gives higher fatigue resistance 

Thermal expansion  Low  High  Lower expansion gives lower thermal stress 

Phase stability  Low  High  High: higher temperature capability 

Thermal conductivity  High  Low  High: lower thermal stress 

Page 17: Lecture 40

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  || |  |  

17 

Cost  Low   High  Low cost 

Here is a list of common creep resistant high temperature materials used in power generation 

units. It also includes the maximum permissible metal wall temperature for prolonged use. 

• 0.5C steel: maximum service temperature 450°C• 1Cr0.5Mo: maximum service temperature 500°C• 2.25Cr 1Mo: maximum service temperature 550°C• 9Cr1MoVNb: maximum service temperature 600°C• Austenitic steel: maximum service temperature 700°C• Ni base super alloy: maximum service temperature 900°C

The first four in the list are ferritic steel. These are used in air cooled and tempered condition.  

The  tempering  temperature  is  at  least 100°C higher  than  the expected  service  temperature. 

This gives the steel sufficient structural stability. The microstructure consists of a dispersion of 

carbides in ferrite matrix. The initial improvements in the temperature capability were achieved 

empirically. Mo was found to be responsible for higher creep resistance whereas Cr  improved 

its temperature capability by raising its resistance to oxidation. 2.25Cr1Mo was found to be the 

optimum choice. It continued to be the most commonly used steel for super‐heater, re‐heater 

and steam pipes of thermal power plants. 9Cr1Mo steels were popular  in cases where higher 

oxidation resistance was needed.  Its rupture strength was  inferior to that of 2.25Cr1Mo steel. 

The  lower creep  resistance was  later  found  to be due  to  the precipitation Mo6C. This can be 

delayed by the addition of strong carbide formers  like Nb/V to 9Cr1Mo steel. Adoption of this 

strategy  led  to  the  development  of  several  new  grades  of  creep  resistant  ferritic  steel.  The 

evolution  of modified  grades  of  9Cr1Mo  steel was  due  to  the  growing  knowledge  and  our 

understanding of the basic mechanisms of strengthening. Currently 9cr1Mo steel having a small 

amount  of  V/Nb  (the  total  amount  may  not  exceed  0.5%  depending  on  its  carbon 

concentration)  is  the  most  common  material  of  construction  for  the  high  temperature 

components of super‐critical thermal power plants.  

Creep resistant microstructure: Creep occurs due to bulk diffusion, grain boundary diffusion or dislocation‐glide. Therefore  in 

order  to  improve  the  creep  resistance  one  has  to make  each  of  these more  difficult.  For 

example diffusion at a given temperature depends on the concentration gradient.  If the grain 

size  is  large  the  distance  a  vacancy  needs  to  travel  is  longer.  Therefore  the  concentration 

gradient  is  lower. This  is why  coarse  grain  structure exhibits better  creep  resistance. Coarse 

grain also means fewer paths for faster diffusion along the grain boundaries. This too indicates 

that coarse grain structures would  favor  lower creep. Here  is a  list of a  few choices  that can 

improve the creep resistance of engineering materials: 

Page 18: Lecture 40

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  || |  |   

18 

 

High melting point: alloy element that increases melting improves creep resistance. 

Coarse grain: Si killed steel has better creep resistance than Al killed steel. 

Low  stacking  fault  energy:  this makes  cross  slip  difficult  thus  inhibits  strain  (creep) 

softening 

Precipitates: inhibits dislocation glide therefore resists creep deformation 

 

 Figure 3 would help you understand how by controlling the microstructure the creep resistance 

of steel can be improved by making dislocation glide more difficult. The average distance () a dislocation  can  glide  is  determined  by  the  array  of  precipitates.  It  depends  on  the  volume 

fraction and the size of the precipitates. The strain rate due to dislocation glide is given by Orowan equation: where  denotes dislocation density  and b  is  the Burgers  vector. The  average  dislocation  velocity  (v)  may  be  given  by /   .The  time  (t)  has  two 

components. One denotes the time to glide (tglide) and the other denotes the time required to 

climb (tclimb) over the obstacle or the precipitate. The dislocations in a glide plane cannot move 

until the one at the tip of the pileup at the precipitate could climb over the precipitate. Climb is 

controlled by diffusion. Therefore: ≫ . On the basis of this it comes out that: 

 

                        (3) 

 

Equation  3  suggests  that  creep  (or  strain)  rate  can  be  lowered  by  decreasing  inter  particle 

spacing  ()  and  increasing  time  to  climb. How  can  one  increase  tclimb?  A  possible way  is  to 

Glide 

GlideClimb 

Glide plane

Fig  3:  Schematic  representations  of  creep  deformation  due  a  combination  of  climb  and  glide 

motions of dislocations  in  crystalline  solid. Climb depends on  the  rate at which  vacancies  can 

diffuse  in the  lattice. This being a thermally activated process  is the slowest and therefore  it  is 

the rate controlling step.  Clearly shorter inter particle spacing and higher height to climb would 

result in slower creep rate. This follows directly from the Orowan equation (see text). 

Page 19: Lecture 40

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  || |  |  

19 

increase the height a dislocation needs to climb. This can be achieved by making the precipitate 

large. The both can be satisfied  if volume  fraction of precipitate can be  increased. There are 

super‐alloys having very high volume fraction of precipitates (~70%). These are known for very 

high creep resistance. However this cannot be applicable to steel where the volume fraction of 

precipitate  is very  less.  In this case you need to have an optimum combination of precipitate 

size and inter‐particle spacing. However there is another way to improve the creep strength of 

steel. This  is by decreasing  the density of mobile dislocation density. Unlike 2.25Cr1Mo  steel 

modified 9Cr1Mo steel has a very high dislocation density. A part of  it  is mobile and a part  is 

immobile. During the primary stage of creep mobile dislocation density  in this steel decreases 

significantly.  In  short  the  creep  strength  is  controlled  by  an  optimum  combination  of  stable 

dislocation network, precipitate size and inter‐particle spacing.  

Summary: In this lecture we looked at how alloy addition helps in improving the strength and toughness of 

steel. Most of these are used in hardened and tempered condition. You can get extremely high 

strength  and  toughness  even  in  components  that  have  sizeable  thickness.  This  is  the main 

advantage  of  alloying.    Besides  overcoming  the  section  size  limitation  it  also  helps  in 

overcoming several other limitations of plain carbon steel. The role of various alloy elements on 

the properties and performance of steel has also been covered. Besides a  few hardened and 

tempered grades of ultra high strength steel we also have learnt about age harden able variety 

of steel called maraging steel, steel that can withstand corrosive environment like those having 

very high amounts of Cr known as stainless steel and also those that can survive 20 to 25 years 

of high temperature exposure known as creep resistant steel. In short we looked at 

Effect of alloying elements on steel

Hardened & tempered ultra high strength steel

Maraging steel

Stainless steel

Creep resistant steel

Exercise:

1. Compare  the  crystal  structures of  two alloy  steels having nominal  carbon  content  (a)

18%Cr  (b) 18%Cr8%Ni. Can these be hardened by conventional quenching from a high

temperature?

2. High  speed  cutting  tools  are made  of  18W4Cr1V0.6C  and  it  is  used  in  hardened  and

tempered  condition. Unlike normal hardened and  tempered plain  carbon  tool  steel  it

does not lose its cutting ability even when it is red hot. Explain why it is so.

Page 20: Lecture 40

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  || |  |  

20 

3. How  is  the  mechanism  of  strengthening  in  maraging  steel  different  from  that  in

conventional ultra high strength steel?

4. Explain why commercial steels / alloys having lower stacking fault energy exhibit higher

creep resistance.

5. Does all steel suitable for ausforming exhibit transformation induced plasticity?

Answers:

1. (a)  BCC:  ferrite  (b)  FCC:  austenite.  18%Cr  steel  cannot  be  transformed  to  austenite

which is the main criterion for conventional hardening process by heating & quenching.

This is because amount of ferrite stabilizer present is beyond  loop. Therefore it cannotbe  hardened  by  this  method.  18Cr8Ni  on  the  other  hand  is  austenitic  at  room

temperature.  Steels  that  could  be  hardened  by  conventional  process  develop

martensitic structure on quenching to room temperature.  Therefore this too cannot be

hardened  as  above.  However  through  cold  work  and  subzero  quenching  some

martensite may form in 18Cr8Ni steel.

2. High  speed  tool  steel  retains  its  hardness  even  when  it  is  red  hot  because  it  has

significant amount of strong carbide  former which precipitates during  the 4th stage of

tempering  (gives  secondary hardening) before  these are put  to use. The precipitate  is

coherent  with  the  matrix.  This  gives  it  excellent  micro‐structural  stability  to  resist

particle coarsening and retain its hardness.

3. Martensite in normal steel is hard primarily due to carbon. Presence of excess carbon is

responsible  for  tetragonal  distortion.  This  is why martensite  in  normal  steel  has  BCT

structure. Maraging steel has very little carbon. Therefore martensite that forms here is

BCC. In virtual absence of carbon it  is soft. It can be cold worked to give desired shape

and  increase  its  strength.  On  aging  at  around  500⁰C  inter‐metallic  compounds

precipitate.  This  results  in  further  increase  in  strength.  Therefore  apart  from  solid

solution strengthening unlike conventional steel martensite in maraging steel derives its

strength from cold working and precipitation hardening.

4. All creep resisting alloys have precipitates which obstruct movement of dislocation that

is responsible for deformation. Usually precipitates are strong.  Stress required to shear

these  is  high.  Therefore  dislocations  held  up  at  obstacles  can move  either  by  climb

(restricted to edge dislocation) or cross slip (restricted to screw dislocation). There are

also  restrictions  imposed  by  crystal  structure  on  slip  planes  and  burgers  vectors  of

mobile dislocations.  If  stacking  fault energy  is high  the partials  join  to  form a perfect

dislocation that could either cross slip or climb depending on its character.  If SFE is low

Page 21: Lecture 40

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  || |  |  

21 

the  distance  between  the  two  partial  is  large.  It would  require  higher  stress  to  join 

these. Therefore lower SFE gives higher creep resistance. 

5. No not all. Only steels whose Ms temperature is little lower than room temperature and

Md  temperature  is  higher  than  room  temperature would  respond  to  transformation

induced  plasticity  if  it  is  heavily  deformed  above Md  temperature.  Such  steels  are  in

metastable state during service. If a crack develops in the steel martensite would form

at  crack  tip.   Such a  transformation  is accompanied by volume expansion  resulting  in

local deformation. The region surrounding the crack tip would resist such deformation.

Therefore more work has to be done so that the crack would grow. This gives the steel

high yield strength and toughness.  Such steels are known as TRIP steel.

Appendix

Types of steel (A broad classification)

Structural steel: (AISI 1010, 1020 etc) available as sections, sheet, plate, deep drawing

quality has l  and low carbon & fine grain

Heat treatable steel for high strength & toughness: carbon steel (thin sections) & low

alloy steel having less than 5% alloy addition

Carburizing steels: low carbon steel subjected to case hardening: gears

Nitriding steel: low carbon steel with nitride forming elements such as Cr and Al

Free cutting steel: excellent machinability due to the presence of MnS inclusions (S is

added intentionally)

Spring steel: medium carbon (0.5‐0.6C) used in hardened & tempered condition, it

should have good harden‐ability

Bolting steel: should have good formability to allow thread rolling

Creep resistant steel: super heater, re‐heater, steam pipes, headers of power boiler

Cryogenic steel: should have very low DBTT, though austenitic steels are preferred

there are much cheaper ferritic steels having very low DBTT

Stainless steel: high Cr steel available as austenitic, ferritic, martensitic and precipitation

harden‐able grades

Tool / die steel: hot work , cold work or high speed tool steel (HSS)

Ball bearing steel: used in hardened & tempered condition

Electrical steel: soft magnetic grades have low carbon and high Si (CRGO / CRNO), hard

magnets need high carbon and high hardness

High strength low alloy steel (HSLA): fine grain steel having micro alloy addition Nb/Ti/V

Page 22: Lecture 40

NPTEL Phase II : IIT Kharagpur : Prof. R. N. Ghosh, Dept of Metallurgical and Materials Engineering  || |  |   

22 

Dual phase steel: ferrite martensite or ferrite austenite steel 

Maraging  steel:  18% Ni  low  carbon martensitic  steel  that  responds  to  age  hardening 

having ultra high stregth